BR102016019880B1 - ACTIVE REGENERATOR FOR THERMAL ENGINES AND CONTROL PROCESS FOR THERMODYNAMIC CYCLE OF THE ACTIVE REGENERATOR - Google Patents
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Abstract
regenerador ativo para motores térmicos e processo de controle para ciclo termodinâmico do regenerador ativo. refere-se a presente invenção a um regenerador ativo para motor térmico e seu ciclo termodinâmico, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica regeneradora de calor sincronizada e controlada por um motor térmico no qual estará agregado que atua no regenerador ativo para que este execute o processo de regeneração do calor. o regenerador ativo tem a função de retirar o calor do gás de trabalho de um motor térmico em uma de suas fases do ciclo termodinâmico, baixando a temperatura do gás, converter e reter esta energia em forma de energia cinética e em fase subsequente do ciclo do motor, reversivelmente regenerar, devolver a energia cinética transformando-a em calor novamente elevando a temperatura do gás de trabalho do motor térmico.active regenerator for thermal engines and control process for active regenerator thermodynamic cycle. The present invention refers to an active regenerator for a thermal engine and its thermodynamic cycle, more specifically it is a heat regenerating thermal machine synchronized and controlled by a thermal engine in which there will be an aggregate that acts on the active regenerator so that it performs the heat regeneration process. The active regenerator has the function of removing heat from the working gas of a thermal engine in one of its phases of the thermodynamic cycle, lowering the gas temperature, converting and retaining this energy in the form of kinetic energy and in the subsequent phase of the engine cycle. engine, reversibly regenerate, returning the kinetic energy transforming it into heat again, raising the temperature of the thermal engine's working gas.
Description
[001] Refere-se a presente invenção a um regenerador ativo para motor térmico e seu ciclo termodinâmico, mais especificamente trata-se de uma máquina regeneradora de calor sincronizada e controlada por um motor térmico no qual está agregado que atua no regenerador ativo para que este execute o processo de regeneração do calor, a retirada do calor do gás de trabalho do motor térmico em determinada fase de seu ciclo e regenerá-lo em outra fase do ciclo.[001] The present invention refers to an active regenerator for a thermal engine and its thermodynamic cycle, more specifically it is a heat regenerating machine synchronized and controlled by a thermal engine in which there is an aggregate that acts on the active regenerator so that This performs the heat regeneration process, removing heat from the heat engine's working gas in a certain phase of its cycle and regenerating it in another phase of the cycle.
[002] Os regeneradores atuais utilizados em motores térmicos são basicamente construídos com materiais e elementos passivos, são elementos sólidos compostos por condutores e isoladores térmicos em determinada formação geométrica os quais absorvem parte do calor na passagem do gás em um sentido e o devolvem quando o gás retorna em sentido contrário.[002] Current regenerators used in thermal engines are basically built with passive materials and elements, they are solid elements composed of conductors and thermal insulators in a certain geometric formation, which absorb part of the heat when the gas passes in one direction and return it when the gas returns in the opposite direction.
[003] A energia, no processo de transferência para os elementos do regenerador, ocorre por condução do calor do gás para os elementos do regenerador, parte da energia continua no gás e é perdida no sistema de arrefecimento do motor e outra parte da energia é devolvida, isto é, regenerada a partir dos elementos do regenerador para o gás do motor e utilizada na continuidade do processo termodinâmico do motor.[003] The energy, in the process of transfer to the regenerator elements, occurs by conducting heat from the gas to the regenerator elements, part of the energy remains in the gas and is lost in the engine cooling system and another part of the energy is returned, that is, regenerated from the regenerator elements into the engine gas and used in the continuation of the engine's thermodynamic process.
[004] Para que toda a energia do gás possa ser regenerada, esta energia deve ser totalmente transferida aos elementos do regenerador, este processo requer dimensões infinitas ao regenerador e seus elementos, condutores e isoladores térmicos, devem ter propriedades ideais. Desta forma, na prática, os regeneradores possuem eficiências na regeneração bem limitadas e impactam diretamente nos limites de eficiência do motor térmico no qual estiver conectado.[004] In order for all the energy of the gas to be regenerated, this energy must be fully transferred to the regenerator elements. This process requires infinite dimensions of the regenerator and its elements, conductors and thermal insulators, must have ideal properties. Therefore, in practice, regenerators have very limited regeneration efficiencies and directly impact the efficiency limits of the thermal engine to which they are connected.
[005] O estado atual da técnica apresenta limitações na conservação e regeneração da energia em motores térmicos. Atualmente os regeneradores são construídos com elementos condutores térmicos e elementos isoladores térmicos estáticos, isto é, a energia é retida apenas através da condução de calor do gás de trabalho do motor térmico para o elemento de armazenamento térmico do regenerador, geralmente sólido, geralmente um metal, e é regenerado pelo mesmo processo, pela condução do calor contido nos elementos do regenerador para o gás novamente. Com este conceito, uma parte considerável da energia não é transferida aos elementos do regenerador, ela segue com o gás e é dissipada, perdida para o ambiente ou fonte fria, o mesmo ocorre na regeneração. Esta característica do regenerador passivo impõe limites na eficiência dos motores térmicos.[005] The current state of the art presents limitations in the conservation and regeneration of energy in thermal engines. Currently, regenerators are built with thermal conductive elements and static thermal insulating elements, that is, energy is retained only through the conduction of heat from the heat engine's working gas to the regenerator's thermal storage element, generally solid, usually a metal. , and is regenerated by the same process, by conducting the heat contained in the regenerator elements to the gas again. With this concept, a considerable part of the energy is not transferred to the regenerator elements, it goes with the gas and is dissipated, lost to the environment or cold source, the same occurs in regeneration. This characteristic of the passive regenerator imposes limits on the efficiency of thermal engines.
[006] Os grandes problemas do estado da técnica estão relacionados à velocidade e à quantidade de energia que os elementos dos regeneradores passivos podem reter para regenerá-los posteriormente, os regeneradores passivos tendem a reduzir a taxa de transferência de energia conforme a temperatura do gás se aproxima da temperatura dos elementos do regenerador, como as dimensões dos elementos são limitadas às condições de projeto e como os parâmetros dos materiais não são ideais, tais condições impactam e limitam a eficiência dos regeneradores.[006] The major problems in the state of the art are related to the speed and amount of energy that the elements of passive regenerators can retain to regenerate them later, passive regenerators tend to reduce the energy transfer rate depending on the gas temperature approaches the temperature of the regenerator elements, as the dimensions of the elements are limited to the design conditions and as the material parameters are not ideal, such conditions impact and limit the efficiency of the regenerators.
[007] O objetivo da invenção propõe acelerar e aumentar a taxa de transferência de calor de regeneração através do conceito ativo de troca de calor, isto é, o motor no qual o regenerador está conectado, atua diretamente sobre um elemento mecânico do regenerador o qual executa processos de compressão e expansão de um gás e este absorve parte da energia dos processos de abaixamento da temperatura dos motores térmicos através de processos de expansão do regenerador e os regenera, devolve a energia (calor) nos processos de incremento da temperatura do motor térmico através de processos de compressão. Os processos de compressão e de expansão do regenerador oferecem um diferencial térmico maior que ocorre nos regeneradores passivos e, portanto, a taxa de transferência de calor (energia) será maior e por consequência haverá maior quantidade de energia conservada em se comparando com os regeneradores passivos e este efeito impactará em maior eficiência dos motores térmicos. Outra importante característica do regenerador ativo é a controlabilidade que o mesmo oferece quanto ao momento do ciclo em que ocorrem a captura da energia e sua regeneração, controlabilidade inexistente nos regeneradores passivos, estes dependem apenas do sentido da passagem do gás e de sua temperatura. Os elementos de expansão e compressão do regenerador ativo são acionados pelo motor através de um sistema de transmissão que pode ser controlado por meio mecânico ou eletrônico cujos detalhes não fazem parte desta descrição.[007] The objective of the invention proposes to accelerate and increase the regeneration heat transfer rate through the active heat exchange concept, that is, the engine to which the regenerator is connected, acts directly on a mechanical element of the regenerator which performs compression and expansion processes of a gas and this absorbs part of the energy from the processes of lowering the temperature of the thermal engines through the expansion processes of the regenerator and regenerates them, returning the energy (heat) in the processes of increasing the temperature of the thermal engine through compression processes. The regenerator's compression and expansion processes offer a greater thermal differential than occurs in passive regenerators and, therefore, the heat (energy) transfer rate will be greater and consequently there will be a greater amount of energy conserved compared to passive regenerators. and this effect will impact greater efficiency of thermal engines. Another important characteristic of the active regenerator is the controllability it offers regarding the moment of the cycle in which energy capture and regeneration occur, a controllability that does not exist in passive regenerators, which depend only on the direction of gas passage and its temperature. The expansion and compression elements of the active regenerator are driven by the engine through a transmission system that can be controlled by mechanical or electronic means, details of which are not part of this description.
[008] A presente invenção traz evoluções importantes para a regeneração de energia (calor), especialmente para utilização em motores térmicos, conservando parte da energia que seria dissipada, mantendo-a no sistema e assim reduzir a perda da eficiência. A propriedade de ser ativo, isto é, ser controlado e acionado externamente, o regenerador ativo gera diferenciais de temperatura fazendo com que o fluxo de calor do motor térmico para o regenerador seja acelerado e vice-versa, aumentando a velocidade (taxa de transferência de calor) e a quantidade de calor conservada quando comparado aos regeneradores passivos.[008] The present invention brings important developments to the regeneration of energy (heat), especially for use in thermal engines, conserving part of the energy that would be dissipated, keeping it in the system and thus reducing the loss of efficiency. The property of being active, that is, being controlled and activated externally, the active regenerator generates temperature differentials causing the heat flow from the thermal engine to the regenerator to be accelerated and vice versa, increasing the speed (rate of heat transfer). heat) and the amount of heat conserved when compared to passive regenerators.
[009] O regenerador ativo tem como princípio de funcionamento a expansão e compressão de um gás por meio de um elemento mecânico móvel, controlado ou sincronizado pelo próprio motor em que está conectado ou por um sistema agregado a ele. O regenerador possui uma face para contato térmico com o gás do motor térmico. O regenerador poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos utilizados na construção motores convencionais e motores de ciclo Stirling e motores de ciclo diferencial. Por operar com gás, o mesmo deve ser vedado para manter este gás permanentemente confinado nas câmaras de compressão e expansão. O regenerador basicamente possui uma câmara de compressão e expansão a qual é isolada do meio externo, porém com uma face com contato térmico com a câmara ou duto de passagem de gás do motor térmico para o qual opera como regenerador. O regenerador possui ainda um elemento de compressão e expansão, podendo este ser um pistão, diafragma ou turbina, para operar com pistão ele utiliza uma biela ligada a um virabrequim o qual se conecta ao motor para o qual o mesmo regenera a energia. O regenerador opera com gás próprio que captura a energia do gás de trabalho do motor no qual está acoplado e o regenera. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser de vários tipos, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.[009] The active regenerator's operating principle is the expansion and compression of a gas by means of a mobile mechanical element, controlled or synchronized by the engine to which it is connected or by a system added to it. The regenerator has a face for thermal contact with the heat engine gas. The regenerator may be built with materials and techniques similar to those used in the construction of conventional engines, Stirling cycle engines and differential cycle engines. As it operates with gas, it must be sealed to keep this gas permanently confined in the compression and expansion chambers. The regenerator basically has a compression and expansion chamber which is isolated from the external environment, but with one face in thermal contact with the gas passage chamber or duct of the thermal engine for which it operates as a regenerator. The regenerator also has a compression and expansion element, which can be a piston, diaphragm or turbine. To operate with a piston, it uses a connecting rod connected to a crankshaft which connects to the engine for which it regenerates energy. The regenerator operates with its own gas that captures the energy of the working gas of the engine to which it is coupled and regenerates it. The working gas depends on the project, its application and the parameters used, the gas can be of several types, each one will provide specific particularities, as an example the gases can be suggested: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others.
[010] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do regenerador ativo e as inovações propostas, as quais representam: A figura 1 representa o desenho conceitual do regenerador ativo e os principais elementos que o formam; A figura 2 mostra o gráfico e as condições mecânicas do processo que representa o processo termodinâmico do regenerador no primeiro ciclo, ou nos primeiros ciclos do sistema quando o mesmo é levado à sua condição inicial para operar em ciclo contínuo na captura e regeneração do calor do motor onde estiver conectado; A figura 3a mostra separadamente os principais módulos que formam um sistema de aplicação do regenerador ativo, um motor térmico, um sistema de transmissão e o regenerador ativo; A figura 3b mostra os principais módulos que formam um sistema de aplicação do regenerador ativo, integrados, um motor térmico, um sistema de transmissão, o regenerador ativo e a fonte de energia; A figura 4a mostra o conjunto montado, motor térmico, sistema de transmissão e o regenerador ativo executando o processo de captura de energia, transferência da energia (calor) do gás de trabalho do motor para o regenerador e respectivo gráfico do processo termodinâmico; A figura 4b mostra o conjunto montado, motor térmico, sistema de transmissão e o regenerador ativo executando o processo de regeneração de energia, transferência da energia (calor) do regenerador, retornando para o gás de trabalho do motor e respectivo gráfico do processo termodinâmico; A figura 5 mostra um projeto de aplicação do regenerador ativo com um motor térmico de ciclo Stirling tipo alfa.[010] The attached figures demonstrate the main characteristics and properties of the active regenerator and the proposed innovations, which represent: Figure 1 represents the conceptual design of the active regenerator and the main elements that form it; Figure 2 shows the graph and the mechanical conditions of the process that represents the thermodynamic process of the regenerator in the first cycle, or in the first cycles of the system when it is taken to its initial condition to operate in a continuous cycle in capturing and regenerating heat from the engine where it is connected; Figure 3a separately shows the main modules that form an active regenerator application system, a thermal engine, a transmission system and the active regenerator; Figure 3b shows the main modules that form an active regenerator application system, integrated, a thermal engine, a transmission system, the active regenerator and the energy source; Figure 4a shows the assembled set, thermal engine, transmission system and active regenerator executing the energy capture process, transferring energy (heat) from the engine's working gas to the regenerator and the respective graph of the thermodynamic process; Figure 4b shows the assembled set, thermal engine, transmission system and active regenerator executing the energy regeneration process, transferring energy (heat) from the regenerator, returning to the engine's working gas and the respective graph of the thermodynamic process; Figure 5 shows an application project for the active regenerator with an alpha-type Stirling cycle thermal engine.
[011] O regenerador ativo é uma máquina de armazenamento e transferência de calor ativa, isto é, ele retira o calor (energia) de um corpo, sólido, líquido ou gasoso e o regenera, devolve a energia obtida por meio de um controle externo.[011] The active regenerator is an active heat storage and transfer machine, that is, it removes heat (energy) from a body, solid, liquid or gaseous, and regenerates it, returning the energy obtained through external control .
[012] A figura 1 mostra os principais componentes que formam o regenerador ativo, o regenerador mostrado por (11) é composto por uma câmara de gás, estanque, de compressão e expansão (112) composta por um cilindro (12), este cilindro possui uma face de transferência de calor (14) pela qual ocorre o fluxo da energia (calor|) entre o gás de trabalho do regenerador (111) e o gás de trabalho do motor térmico externo no qual será conectado, possui uma camada de material isolante térmico (13) contornando o cilindro (12) para isolar termicamente o gás (111) do meio externo, no interior do cilindro (12) há um elemento mecânico de movimentação, expansão e compressão do gás interno, indicado por (15), este geralmente é um pistão, um diafragma ou turbina, um eixo de ligação do elemento de movimentação do gás indicado por (16), uma biela ou haste, indicada por (17) caso o gás for movimentado por pistão ou diafragma, um eixo, indicado por (18) com volantes (19), formando um sistema de transmissão tipo virabrequim, um eixo de ligação da biela com o virabrequim indicado em (110) e o gás de trabalho do regenerador ativo no interior da câmara (111).[012] Figure 1 shows the main components that form the active regenerator, the regenerator shown by (11) is composed of a gas chamber, sealed, compression and expansion (112) composed of a cylinder (12), this cylinder has a heat transfer face (14) through which the flow of energy (heat|) occurs between the working gas of the regenerator (111) and the working gas of the external thermal engine to which it will be connected, it has a layer of material thermal insulator (13) surrounding the cylinder (12) to thermally isolate the gas (111) from the external environment, inside the cylinder (12) there is a mechanical element for movement, expansion and compression of the internal gas, indicated by (15), this is generally a piston, a diaphragm or turbine, a shaft connecting the gas movement element indicated by (16), a connecting rod or rod, indicated by (17) if the gas is moved by a piston or diaphragm, a shaft, indicated by (18) with flywheels (19), forming a crankshaft-type transmission system, a connecting rod connecting shaft with the crankshaft indicated in (110) and the working gas of the active regenerator inside the chamber (111).
[013] A figura 2 mostra o regenerador ativo (21) na sua condição comprimida, o gás indicado por (23) está contido na câmara, comprimido, o gráfico com o ciclo do regenerador, mostrando os processos, mostra no detalhe (27), a condição onde o regenerador se encontra no processo de equalização térmica com a temperatura da fonte quente (Tq) para gerar as condições iniciais de trabalho do sistema para operar em conjunto com o motor térmico. Antes do início do processo operacional com o motor térmico, o regenerador possui sua curva termodinâmica conforme o gráfico (25). Considerando apenas o gás de trabalho do regenerador, seu ciclo opera entre os volumes (Va) e (Vb) e entre as temperaturas (Tq) e (Tf). Na sua condição expandida, no volume (Vb) mostrado em (22), o gás de trabalho (24) estará na temperatura fria (Tf), no detalhe mostrado em (28) do gráfico (25). Na sua condição comprimida, no volume (Va) mostrado em (21), o gás de trabalho (23) estará na temperatura quente (Tq), no detalhe mostrado em (27) do gráfico (25) e nestas condições, comprimido no volume (Va) conectado ao motor térmico, este com seu gás de trabalho na temperatura (Tq) é gerada a condição inicial para a operação em ciclo contínuo. O gráfico (25) deixa bem claro que o regenerador sem conexão a um motor, opera um processo ou ciclo adiabático reversível (26) e que na sua condição comprimida (21) no volume (Va), o gás (23) estará na temperatura quente (Tq) mostrado no detalhe (27) e na sua condição expandida (22) no volume (Vb), o gás (24) estará na temperatura fria (Tf) mostrado no detalhe (28) e nas figuras 4a e 4b o regenerador, então acoplado a um motor térmico, passa a operar também por processos adiabáticos, porém operando entre o volume (Va) na temperatura (Tq) e volume (Vc) na temperatura (Tf) em função de estar trocando calor com um volume maior de gás, indicado pela curva (43).[013] Figure 2 shows the active regenerator (21) in its compressed condition, the gas indicated by (23) is contained in the chamber, compressed, the graph with the regenerator cycle, showing the processes, shows in detail (27) , the condition where the regenerator is in the thermal equalization process with the hot source temperature (Tq) to generate the initial working conditions of the system to operate in conjunction with the thermal engine. Before starting the operational process with the thermal engine, the regenerator has its thermodynamic curve as shown in graph (25). Considering only the regenerator's working gas, its cycle operates between volumes (Va) and (Vb) and between temperatures (Tq) and (Tf). In its expanded condition, in the volume (Vb) shown in (22), the working gas (24) will be at the cold temperature (Tf), in the detail shown in (28) of graph (25). In its compressed condition, in the volume (Va) shown in (21), the working gas (23) will be at the hot temperature (Tq), in the detail shown in (27) of graph (25) and in these conditions, compressed in the volume (Va) connected to the thermal engine, with its working gas at temperature (Tq) the initial condition for continuous cycle operation is generated. The graph (25) makes it very clear that the regenerator, without connection to an engine, operates a reversible adiabatic process or cycle (26) and that in its compressed condition (21) in the volume (Va), the gas (23) will be at the temperature hot (Tq) shown in detail (27) and in its expanded condition (22) in volume (Vb), the gas (24) will be at the cold temperature (Tf) shown in detail (28) and in figures 4a and 4b the regenerator , then coupled to a thermal engine, also starts to operate through adiabatic processes, but operating between volume (Va) at temperature (Tq) and volume (Vc) at temperature (Tf) as a result of exchanging heat with a larger volume of gas, indicated by curve (43).
[014] As figuras 3a e 3b mostram como um regenerador ativo pode ser utilizado para formar um sistema com um motor térmico regenerativo. A figura 3a mostra em (31) um modelo de motor térmico ideal formado por um cilindro, um pistão, um conjunto formado por eixos, virabrequim e biela, a mesma figura em (32) mostra um sistema de transmissão e em (11), mostra o regenerador ativo. Na figura 3b é mostrado o sistema montado, unindo um motor térmico (31) com um regenerador ativo (11), formando um motor regenerativo e um canal (35) por onde ocorre o processo de regeneração, um sistema de transmissão interligando o motor térmico com o regenerador em (32), o canal (35) pode ser entendido também como sendo um acoplamento térmico entre o regenerador ativo e o motor térmico, a fonte de energia, ora quente, ora fria em (33) fornece a energia para o motor térmico (31) operar e o sentido do fluxo de energia entre as fontes e o motor térmico é mostrado em (34).[014] Figures 3a and 3b show how an active regenerator can be used to form a system with a regenerative thermal engine. Figure 3a shows in (31) an ideal thermal engine model formed by a cylinder, a piston, a set formed by shafts, crankshaft and connecting rod, the same figure in (32) shows a transmission system and in (11), shows the active regenerator. Figure 3b shows the assembled system, uniting a thermal engine (31) with an active regenerator (11), forming a regenerative engine and a channel (35) through which the regeneration process occurs, a transmission system connecting the thermal engine with the regenerator in (32), the channel (35) can also be understood as being a thermal coupling between the active regenerator and the thermal engine, the energy source, sometimes hot, sometimes cold in (33) provides the energy for the thermal engine (31) operates and the direction of energy flow between the sources and the thermal engine is shown in (34).
[015] As figura 4a e 4b mostram em detalhes como o sistema formado pelo regenerador ativo (11) e um motor térmico (31) funciona. A curva tracejada indicada por (26) nas figuras 4a e 4b mostra o primeiro ciclo do sistema, onde o regenerador é levado às suas condições iniciais para que possa operar como regenerador ativo, explicado juntamente com a figura 2. As condições iniciais são geradas quando o motor térmico (31) com o gás de trabalho na temperatura quente (Tq) acoplado à fonte, indicada em (41), também na temperatura quente (Tq) leva o regenerador ao estado de compressão para o volume (Va), nestas condições o fluxo de energia da fonte quente, equalizada termicamente ao gás de trabalho do motor na temperatura (Tq), equaliza-se também ao gás de trabalho do regenerador ativo levando este às suas condições iniciais para operar como regenerador ativo, sob compressão, no volume (Va) e na temperatura quente (Tq).O processo termodinâmico indicado pela curva (26) o qual leva o regenerador para seu estado inicial de operação é demonstrado pela equação (a) abaixo: [015] Figures 4a and 4b show in detail how the system formed by the active regenerator (11) and a thermal engine (31) works. The dashed curve indicated by (26) in figures 4a and 4b shows the first cycle of the system, where the regenerator is brought to its initial conditions so that it can operate as an active regenerator, explained together with figure 2. The initial conditions are generated when the thermal engine (31) with the working gas at the hot temperature (Tq) coupled to the source, indicated in (41), also at the hot temperature (Tq) takes the regenerator to the state of compression for the volume (Va), under these conditions the flow of energy from the hot source, thermally equalized to the engine's working gas at temperature (Tq), is also equalized to the active regenerator's working gas, taking it to its initial conditions to operate as an active regenerator, under compression, in the volume (Va) and hot temperature (Tq). The thermodynamic process indicated by curve (26) which takes the regenerator to its initial operating state is demonstrated by equation (a) below:
[016] Na equação (a), (WRa) representa o trabalho que o calor produz ao regenerador, (nr) é o número de moles do gás de trabalho do regenerador ativo, (R) é a constante universal dos gases ideais, (Tq) é a temperatura da fonte quente do sistema, (Tf) é a temperatura da fonte fria do sistema e (ç) é o coeficiente de expansão adiabática.[016] In equation (a), (WRa) represents the work that heat produces to the regenerator, (nr) is the number of moles of the working gas of the active regenerator, (R) is the universal ideal gas constant, ( Tq) is the temperature of the system's hot source, (Tf) is the temperature of the system's cold source and (ç) is the adiabatic expansion coefficient.
[017] O regenerador (11) no processo de absorção de energia, calor e no processo regenerativo junto ao motor térmico (31) opera conforme seu ciclo ideal indicado pela curva (43) mostrada na figura 4a e 4b. O processo regenerativo de um motor térmico (31) consiste em retirar e armazenar a energia (42) que passa pelo canal (35) entre o gás do motor e o gás do regenerador, fluxo de calor, em uma fase operacional do ciclo do motor térmico (31) através de um regenerador (11) e devolver a mesma energia (45) em outra fase do ciclo operacional do motor térmico pelo regenerador (11) e isto deve ocorrer ciclicamente conforme o motor térmico opera e este processo pode ser descrito da seguinte forma passo a passo, no momento em que o motor térmico (31) finalizou seu processo de realização de trabalho com seu gás interno (47) na temperatura quente (Tq), o regenerador (11) inicialmente com seu gás interno (48) também na temperatura (Tq) comprimido a um volume (Va), o regenerador (11) expande seu gás (47) para um volume (Vc) por meio de um processo adiabático de expansão (44), esta expansão (44) do gás gera trabalho, em outras palavras transfere energia mecânica para o eixo (18) e volante (19) do regenerador (11), energia cinética, e esta expansão (44) é adiabática sendo que o gás (48) do regenerador (11) esfria retirando também todo o calor do gás (47) do motor (31), a temperatura do gás do motor térmico e do regenerador, ambas mudam de (Tq) para (Tf) e toda a energia do gás estará em forma de energia mecânica cinética no eixo (18) e volante (19) do regenerador (11), após o processo adiabático (44) de expansão e transferência de energia, calor, do motor térmico (31) para o regenerador (11), ocorre o processo de regeneração, devolução da energia que se encontra no regenerador (11) para o motor térmico (31) no momento, isto é, na fase do ciclo em que o gás de trabalho (49), figura 4b, do motor térmico necessita de calor para repetir seu ciclo, então neste momento, na figura 4b, o gás de trabalho (49) do motor térmico e o gás de trabalho (410), do regenerador, ambos estarão na temperatura fria (Tf), e a energia cinética do eixo (18) e volante (19) do regenerador comprimirão o gás (410) inicialmente no volume (Vc) para o volume (Va) em um processo adiabático (46) de forma que o gás aumentará a temperatura de (Tf) para (Tq), devolvendo, regenerando a energia para o motor térmico (31), e o gás do regenerador (11) e do motor térmico (31), ambos estarão na temperatura quente (Tq), finalizando o ciclo termodinâmico do regenerador ativo. O processo de transferência da energia do gás de trabalho do motor térmico para o regenerador é mostrado na figura 4a cujo sentido é indicado no gráfico por (44), o gás do regenerador se expande e absorve a energia do gás de trabalho do motor térmico levando ambos para a temperatura (Tf). O processo de regeneração da energia do gás de trabalho do motor térmico é mostrado na figura 4b cujo sentido é indicado no gráfico por (46), o gás do regenerador se comprime e devolve a energia para o gás de trabalho do motor térmico levando ambos para a temperatura (Tq). O processo termodinâmico do regenerador em ciclo com o motor térmico indicado pela curva (43) é demonstrado pela equação (b) abaixo: [017] The regenerator (11) in the process of absorbing energy, heat and in the regenerative process together with the thermal engine (31) operates according to its ideal cycle indicated by the curve (43) shown in figure 4a and 4b. The regenerative process of a thermal engine (31) consists of removing and storing the energy (42) that passes through the channel (35) between the engine gas and the regenerator gas, heat flow, in an operational phase of the engine cycle thermal engine (31) through a regenerator (11) and return the same energy (45) in another phase of the thermal engine operational cycle through the regenerator (11) and this must occur cyclically as the thermal engine operates and this process can be described as In the following step-by-step manner, at the moment the thermal engine (31) finished its process of carrying out work with its internal gas (47) at the hot temperature (Tq), the regenerator (11) initially with its internal gas (48) also at temperature (Tq) compressed to a volume (Va), the regenerator (11) expands its gas (47) to a volume (Vc) through an adiabatic expansion process (44), this expansion (44) of the gas generates work, in other words it transfers mechanical energy to the shaft (18) and flywheel (19) of the regenerator (11), kinetic energy, and this expansion (44) is adiabatic and the gas (48) of the regenerator (11) cools also removing all the heat from the gas (47) from the engine (31), the temperature of the gas from the thermal engine and the regenerator, both change from (Tq) to (Tf) and all the energy from the gas will be in the form of kinetic mechanical energy on the shaft (18) and flywheel (19) of the regenerator (11), after the adiabatic process (44) of expansion and transfer of energy, heat, from the thermal engine (31) to the regenerator (11), the regeneration process occurs , return of the energy found in the regenerator (11) to the thermal engine (31) at the moment, that is, in the phase of the cycle in which the working gas (49), figure 4b, of the thermal engine needs heat to repeat its cycle, so at this moment, in figure 4b, the working gas (49) of the thermal engine and the working gas (410) of the regenerator, both will be at cold temperature (Tf), and the kinetic energy of the shaft (18 ) and flywheel (19) of the regenerator will compress the gas (410) initially in volume (Vc) to volume (Va) in an adiabatic process (46) so that the gas will increase in temperature from (Tf) to (Tq), returning, regenerating the energy to the thermal engine (31), and the gas from the regenerator (11) and the thermal engine (31), both will be at hot temperature (Tq), ending the thermodynamic cycle of the active regenerator. The process of transferring energy from the thermal engine working gas to the regenerator is shown in figure 4a, the direction of which is indicated in the graph by (44), the regenerator gas expands and absorbs the energy from the thermal engine working gas, taking both for temperature (Tf). The energy regeneration process of the thermal engine working gas is shown in figure 4b, the direction of which is indicated on the graph by (46), the regenerator gas compresses and returns the energy to the thermal engine working gas, taking both to the temperature (Tq). The thermodynamic process of the regenerator in cycle with the thermal engine indicated by curve (43) is demonstrated by equation (b) below:
[018] Na equação (b), WRaTc representa o trabalho total no regenerador, o segundo termo da equação representa a energia absorvida e a energia regenerada ao motor térmico. O parâmetro nm é o número de moles do gás de trabalho do motor térmico, R é a constante universal dos gases ideais, Tq é a temperatura da fonte quente do sistema, Tf é a temperatura da fonte fria do sistema e ç é o coeficiente de expansão adiabática. A figura 4a mostra o fluxo de calor sendo transferido para o regenerador ativo e a figura 4b mostra a regeneração.[018] In equation (b), WRaTc represents the total work in the regenerator, the second term of the equation represents the energy absorbed and the energy regenerated to the thermal engine. The parameter nm is the number of moles of the heat engine's working gas, R is the universal ideal gas constant, Tq is the temperature of the system's hot source, Tf is the temperature of the system's cold source and ç is the coefficient of adiabatic expansion. Figure 4a shows the heat flow being transferred to the active regenerator and figure 4b shows the regeneration.
[019] O processo termodinâmico de transferência de transferência de energia do gás de trabalho do motor para o regenerador e a regeneração são adiabáticos considerando o sistema formado pelo motor térmico com o regenerador, pois não há troca de energia deste sistema com sua vizinhança nestes processos.[019] The thermodynamic process of energy transfer from the engine's working gas to the regenerator and regeneration are adiabatic considering the system formed by the thermal engine with the regenerator, as there is no exchange of energy from this system with its surroundings in these processes .
[020] O regenerador ativo é também uma máquina térmica, porém não foi desenvolvida para gerar trabalho útil, força mecânica em um eixo, ela foi desenvolvida para transportar energia (calor) de um meio externo a ela, este meio externo seria uma câmara de outro motor térmico ou duto de passagem de gás deste motor para seus elementos mecânicos, transformando energia térmica em cinética e posteriormente, na regeneração, transformando reversivelmente a energia cinética em térmica, devolvendo para o gás de trabalho do motor no qual estará acoplada. Na figura 5 é mostrado um sistema formado por um motor térmico e um regenerador ativo. O motor térmico do exemplo poderá ser um motor de ciclo Stirling, o regenerador, indicado em 51, está conectado no duto, indicado em 54, de passagem do gás de trabalho entre os cilindros quente, indicado por 52, e frio, indicado por 53, do motor térmico. O fluxo de energia absorvido e regenerado pelo regenerador ativo é indicado por 55. O cilindro frio do motor térmico, indicado por 53, possui uma geometria própria para dissipar o calor para o meio externo, este é o canal de descarte da energia não aproveitada na conversão. O cilindro quente do motor térmico, indicado por 52, possui um isolamento em parte de sua área para conter a dissipação do calor para o meio externo, mantendo- o dirigido ao gás de trabalho do motor, este cilindro recebe calor de uma fonte externa de energia, esta energia pode ser de diversas fontes distintas, dependendo do projeto do motor térmico, incluindo as fontes renováveis como a termossolar e geotermal.[020] The active regenerator is also a thermal machine, but it was not developed to generate useful work, mechanical force on an axis, it was developed to transport energy (heat) from a medium external to it, this external medium would be a heat chamber. another thermal engine or gas passage duct from this engine to its mechanical elements, transforming thermal energy into kinetic energy and subsequently, during regeneration, reversibly transforming the kinetic energy into thermal energy, returning it to the working gas of the engine to which it will be coupled. Figure 5 shows a system formed by a thermal engine and an active regenerator. The heat engine in the example could be a Stirling cycle engine, the regenerator, indicated by 51, is connected to the duct, indicated by 54, passing the working gas between the hot cylinders, indicated by 52, and cold, indicated by 53 , of the thermal engine. The flow of energy absorbed and regenerated by the active regenerator is indicated by 55. The cold cylinder of the thermal engine, indicated by 53, has its own geometry to dissipate heat to the external environment, this is the disposal channel for energy not used in the conversion. The hot cylinder of the thermal engine, indicated by 52, has insulation in part of its area to contain the dissipation of heat to the external environment, keeping it directed towards the engine's working gas. This cylinder receives heat from an external source of energy, this energy can come from several different sources, depending on the design of the thermal engine, including renewable sources such as thermosolar and geothermal.
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